QAM-Empfänger mit Schaltungsmitteln zur Korrektur eines Empfängerquadraturfehlers

Abstract

 Ein QAM-Empfänger, der einen im Empfänger erzeugten Quadraturfehler sehr genau korrigiert, weist erste Schaltungsmittel (QFK) auf, welche die Inphase - Quadratursignalkomponente eines empfangenen QAM (quadraturamplitudenmodulierten) Signals mit Koeffizienten bewertet, die von dem Quadraturfehler der im Empfänger demodulierten QAM-Signalkomonenten abhängen. Außerdem sind zweite Schaltungsmittel (KS) vorgesehen, die aus Entscheiderfehlern (e_I, e_Q), welche aus der Ablage der von Entscheidern (E_I, E_Q) entschiedenen Inphase und Quadratursignalwerte gegenüber den von den ersten Schaltungsmitteln (QFK) den Entscheidern (E_I, E_Q) zugeführten Inphase- und Quadratursignalwerten resultieren, einen Korrekturwert ( _E) für den Quadraturfehler herleiten, wobei die weiteren Schaltungsmittel (KS) als Korrekturwert ( _E) den Gradienten des quadratischen Entscheiderfehlers (e_I, e_Q) bilden.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen QAM-Empfänger, der erste Schaltungsmittel aufweist, welche die Inphase- und Quadratursignalkomponente eines empfangenen QAM (quadraturamplitudenmodulierten) Signals mit Koeffizienten bewertet, die von dem Quadraturfehler der im Empfänger demodulierten QAM-Signalkomponenten abhängen, und der zweite Schaltungsmittel aufweist, die aus Entscheiderfehlern, welche aus der Ablage der von Entscheidern entschiedenen Inphase- und Quadratursignalwerte gegenüber den von den ersten Schaltungsmitteln den Entscheidern zugeführten Inphase- und Quadratursignalwerten resultieren, einen Korrekturwert für den Quadraturfehler herleiten.

[0002] Ein derartiger QAM-Empfänger ist aus der DE 41 01 802 C1 bekannt. Dieser QAM-Empfänger weist Schaltungsmittel auf, die trotz eines ungeregelten Festfrequenzoszillators sowohl Quadraturfehler, das heißt eine Abweichung von der 90°-Zuordnung des Inphase- und des Quadraturträgers, die bei der QAM Modulation im Sender als auch Quadraturfehler, welche bei der Demodulation im Empfänger entstehen, korrigiert. Es hat sich gezeigt, daß bei dem bekannten Korrekturverfahren das Fangverhalten des Empfängers bei Kanalverzerrungen nicht sehr gut ist. Außerdem enthält das bekannte Korrektursignal einen sehr hohen Rausch- und nur einen geringen Nutzanteil.

[0003] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen QAM-Empfänger der eingangs genannten Art anzugeben, in dem ein im Empfänger erzeugter Quadraturfehler möglichst exakt korrigiert wird.

[0004] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung geht aus dem Unteranspruch hervor.

[0005] Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Gradientenbildung des Entscheiderfehlers, wird ermittelt, ob der im Empfänger geschätzte Empfängerquadraturfehler größer oder kleiner als der tatsächliche Fehler ist. Mit dem aus der Gradientenbildung resultierenden Vorzeichen kann ein Iterationsverfahren zu diesem tatsächlichen Fehler konvergieren. Die Gradientenbildung läßt sich, wie aus dem Anspruch 2 hervorgeht, mit sehr einfachen Schaltungsmitteln durchführen.

[0006] Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein komplettes QAM-Übertragungssystem mit Sender und Empfänger und

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Ermitteln von Korrekturwerten für Sender- und Empfängerquadraturfehlern.

[0007] Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, erzeugen die Sendersignalwerte a_I und a_Q, aufzufassen als Inphase- und Quadraturanteil komplexer Symbole aus einem QAM-Alphabet, nach der Impulsformung I_I, I_Q mit der Impulsantwort g_w(t) (Wurzel-Nyquist-Impuls) das zu modulierende Basisbandsignal.

[0008] Der Sendermodulator besitzt die Modulationsfrequenz _S und den Senderquadraturfehler ψ_S. Auf dem Kanal wird somit das Signal


erzeugt. Für den Sonderfall des unverzerrten Kanals gilt dann enpfangsseitig nach der Impulsformung


wobei g(t) das Ergebnis der Faltung zweier g_w(t)-Impulse ist. Der Einfachheit halber wird hierbei angenommen, daß die empfangsseitige Impulsformung im Bandpaßbereich mit der Bezugsfrequenz ω_S stattfindet.
Durch die empfangsseitige Demodulation und anschließende Unterdrückung der Summenfrequenzen in den beiden Tiefpaßfiltern TP entstehen daraus die nun zu digitalisierenden A/D-Wandler Eingangssignale z_Ist,I(t) und z_Ist,Q(t). Es ist sofort einsichtig, daß bei perfekter Demodulation, also bei identischen Trägerfrequenzen auf der Empfangs- und Sendeseite

, verschwindendem Trägerphasenfehler auf der Empfangsseite

, verschwindendem Quadraturfehler auf der Sendeweite

und verschwindendem Quadraturfehler auf der Empfangsseite

für diese Signale folgende Gleichungen gelten:


Dagegen gilt im allgemeinen Fall nach entsprechenden trigonometrischen Umformungen und Benutzung von (3) und (4):

[0009] Die Differenzfrequenz wird hierbei durch





gebildet. Diese Signale werden nun im Symboltakt T abgetastet:















Hierbei wird vereinfachend





geschrieben und die irrelevante Abtastphase vernachlässigt. Der eigentliche Quadraturfehlerkompensator QFK besteht lediglich aus den vier unabhängigen Koeffizienten C_II, C_IQ, C_QI und C_QQ und kann somit auch als entarteter Transversalentzerrer mit nur einem (komplexen asymmetrischen) Koeffizienten betrachtet werden. Die fehlerkompensierten Eingangssignale der Entscheider E_I, E_Q sind demnach:









Werden die Koeffizienten in (11) und (12) auf folgende optimale Werte eingestellt:


so resultieren aus (11) und (12) tatsächlich wieder









Die Optimaleinstellungen sind also zeitabhängig. Damit ist zunächst gezeigt, daß es grundsätzlich möglich ist, die beim Modulationsprozess entstehenden Quatraturfehler nachträglich wieder zu eliminieren. Es ist allerdings zu beachten. daß die Cosinusterme im Nenner von (13) bis (16) bei größeren Quadraturfehlern zu einer merklichen Rauschverstärkung führen.

[0010] Prinzipiell ließen sich zur Adaption der Koeffizienten C_II, C_IQ, C_QI, C_QQ des Qudraturfehlerkompensators QFK die gleichen Verfahren anwenden, wie sie auch bei Kanalentzerrern üblich sind, also beispielsweise der least-mean square oder der zero-forcing Algorithmus. In der Praxis wären diese Algorithmen allerdings überfordert, da sich die Werte der Koeffizienten ja ständig im Rhythmus der Differenzfrequenz Δω ändern müßten. Aus diesem Grund werden nicht die Koeffizienten selbst geregelt, sondern zunächst in drei unabhängigen Regelkreisen nur die drei Schätzphasen, nämlich Trägerphase φ̂_E, Sendequadraturfehler ψ̂_S und Empfangsquadraturfehler ψ̂_E.

[0011] Die Schätzung von φ_E ist, wie bei allen Trägerableitungen üblich, zur Ausregelung von Frequenzabweichnungen mit einem Regelkreis 2.Ordnung durchzuführen. Anschließend werden in einem Rechenwerk aus den Schätzphasen die vier Koeffizienten analog zu (13) bis (16) ermittelt:


Der zeitvariante Anteil φ_Δ und der zeitinvariante Anteil φ_E werden hierbei, wie oben schon erwähnt, in einem Regelkreis 2.Ordnung gemeinsam geschätzt. Innerhalb dieses Regelkreises erscheint dann automatisch die Schätzgröße φ̂_Δ der empfangsseitigen Frequenzablage.

[0012] Dies zeigt sich auch in der Formulierung der drei Regelkreise als Iterationsprozess:





















Die Gleichungen (23) bis (25) bilden hierbei gemeinsam den Regelkreis 2.Ordnung. α₁, α₂, α_S und α_E sind die Verstellschrittgrößen zur endgültigen Dimensionierung der Regelkreise und Φ(z_n), Ψ_S(z_n) und Ψ_E(z_n) die drei Korrekturterme zur schrittweisen Adaption der entsprechenden Schätzphase.

[0013] Die Korrekturterme sollen jeweils die Gradienten des aktuellen quadratischen Entscheiderfehlers sein, berechnet auf Grund des (der Einfachheit halber als komplex zu betrachtenden) Entscheidereingangssignals z_I,n und z_Q,n.

[0014] Geht man davon aus, daß die Entscheider E_I; E_Q korrekte Entscheidungen treffen, so berechnen sich die Entscheiderfehler e_I,n und e_Q,n einfach aus der Differenz zwischen den Entscheidereingangs- und -ausgangssignalen:









Für die Berechnung der einzelnen Gradienten gilt dann (mit Unterdrückung der Zeitindices n):


Dabei ist

e_Q und e* die konjugiert komplexe Größe dazu.

[0015] Um diese Gradienten explizit berechnen zu können, ist es notwendig, die Entscheiderfehler e_I und e_Q in Abhängigkeit aller Fehler- und Schätzphasen zu kennen. Dazu werden die Gleichungen (8) und (9) sowie (19) bis (22) in (11) und (12) eingesetzt und davon entsprechend (28) und (29) die entschiedenen Werte a_I,n und a_Q,n abgezogen. Unterstellt man auf der Empfangsseite zumindest die Kenntnis der sendeseitigen Trägerfrequenz (

), erhält man nach einigen trigonometrischen Umformungen schließlich:


An Hand von (33) und (34) kann man nun zeigen, daß die Anteile mit der doppelten Differenzfrequenz 2nφ_Δ nun für den Fall

verschwinden, die Korrektur des Empfangsquadraturfehlers also in jedem Fall vor einem eventuellen Kanalentzerrer durchzuführen ist.

[0016] Weiter läßt sich feststellen, daß neben der Lösung

,

und

noch ein zweiter Lösungssatz mit

,

und

existiert. Dieser zweite Lösungssatz garantiert die 90°-Phaseninvarianz des Empfängers, wenn auch mit invertiertem Schätzwinkel für den Senderquadraturfehler. Er führt zu dem Ergebnis

und

_, also zu der bekannten Vertauschung zwischen dem Inphase- und Quadraturkanal. Aus diesem Ergebnis kann man schon jetzt ablesen, daß der Empfangsquadraturfehler auch bei unbekannter Senderträgerphase ermittelt werden kann, der Quadraturfehler des Senders dagegen erst nach dem endgültigen Einrasten des eigentlichen Trägerphasenregelkreises.

[0017] Im folgenden werden nun durch Differenzierung von (33) und (34) die Gradienten Ψ_S(z) und Ψ_E(z) berechnet. Da zunächst nur der tracking mode (alle Regelschleifen eingerastet) interessiert, werden diese Gradienten im Arbeitspunkt

und

angegeben.

[0018] Die Ermittlung des Trägerphasenschätzwertes φ̂_E über den Gradienten Φ(z) soll hier nicht behandelt werden.

[0019] Der Gradient Ψ_S für die Schätzung der Sendequadraturfehlers ψ̂_S wird auf folgende Weise ermittelt:

[0020] Bei der Differenzierung nach ψ soll folgende, für kleine ψ̂ gültige Näherung verwendet werden:


Die gleichen Überlegungen wie oben (z statt z_Soll) führen dann für den Gradienten Ψ_S(z) auf eine ganz ähnliche Beziehung:


Diese letzte Näherung wird in herkömmlichen Empfängern üblicherweise als Regelkriterium zur Regelung der 90°-Zuordnung der Trägerschwingungen verwendet. Daneben existiert aber noch eine zweite Darstellung von Ψ_S, welche nicht auf der Variablen z_Soll, sondern auf z_Ist aufbaut:

[0021] Man kann nun zeigen, daß (37) genau dann mit der Näherung von (36) identisch ist, wenn in (37) alle Vorzeichen von ψ_S invertiert werden. In diesem Fall lassen sich mit Hilfe von (19) bis (22) alle Sinus/Cosinus-Terme eliminieren und die Äquivalenz zu (36) wird sofort augenscheinlich (siehe hierzu auch (11) und (12)):








Diese Näherung ist damit so interpretierbar, als sei sie durch kleine Winkelfehler in den Argumenten der Sinus/Cosinus-Funktionen zustandegekommen. Sie wird sich deshalb in den achsnahen Gebieten der komplexen Ebene von z_Ist als Vorzeichenfehler im geschätzten Gradienten auswirken. Da z_Ist aber für Δω

0 in der komplexen Ebene ständig 'rotiert', kann dieser Effekt für kleine Winkel von ψ_S und ausreichend großer Mittelungsdauer der Verstellinformation völlig vernachlässigt werden.

[0022] Bei der Berechnung von Ψ_E für die Schätzung des Empfängerquadraturfehlers ψ̂_E zeigt sich , daß eine einfache auf z_Soll aufbauende Formulierung überhaupt nicht existiert. Das Korrektursignal zur Regelung von ψ_E muß also in diesem Fall aus dem Empfangsignal z_Ist konstruiert werden (wieder mit Verwendung von (35)):

[0023] Wie auch (37) verlangt diese Vorschrift die Berechnung aufwendiger Sinus/Cosinus-Terme. Da dies bei einer Schaltungsimplementierung möglichst zu vermeiden ist, soll auch hier eine Näherung angegeben werden. In Anlehnung an die Näherung von Ψ_S werden dazu wieder alle Vorzeichen von ψ_S invertiert - allein um das Ergebnis dann mit Hilfe der Koeffizienten des Quadraturfehlerkompensators QFK ausdrücken zu können:








Auch für diese Näherung gilt die oben getroffene Aussage hinsichtlich der vernachlässigbaren Auswirkung auf die Stabilität des Regelverhaltens.

[0024] Mit (38) und (40) stehen somit Berechnungsvorschriften für die Gradienten Ψ_S und Ψ_E zur Verfügung, welche völlig ohne aufwendige trigonometrische Winkelfunktionen auskommen.

[0025] Zudem müssen die einzelnen Produktterme sowieso ermittelt werden (vergleiche (11) und (12)) und sind deshalb im Empfänger bekannt. Dadurch kann der Algorithmus nochmals vereinfacht werden.
Zur Regelung der Quadraturfehler ψ_S und ψ_E sollen die Korrekturwerte Ψ_S und Ψ_E auf reine Vorzeichenoperationen durch Anwendung von sign-Funktionen wie folgt reduziert werden:


Wie diese beiden in (41) und (42) dargestellten Korrekturwerte

_S und

_E ermittelt werden können, zeigt die Schaltung KS in Fig. 2. Sie besteht lediglich aus Multiplizierern, Addierern und Sign-Funktions - Operatoren (deren Schaltungssymbole sind oberhalb der Schaltung in Fig. 2 erläutert).

Ansprüche

1. QAM - Empfänger, der erste Schaltungsmittel (QFK) aufweist, welche die Inphase- und Quadratursignalkomponente eines empfangenen QAM (quadraturamplitudanmodulierten) Signals mit Koeffizienten bewertet, die von dem Quadraturfehler der im Empfänger demodulierten QAM - Signalkomponenten abhängen, und der zweite Schaltungsmittel (KS) aufweist, die aus Entscheiderfehlern (e_I, e_Q) welche ein der Ablage der von Entscheidern (E_I, E_Q) entschiedenen Inphase- und Quadratursignalwerte gegenüber den von den ersten Schaltungsmitteln (QTK) den Entscheidern (E_I, E_Q) zugeführten Inphase- und Quadratursignalwerten resultieren, einen Korrekturwert (

_E) für den Quadraturfehler herleiten, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schaltungsmittel (KS) als Korrekturwert (

_E) den Gradienten des quadratischen Entscheiderfehlers (e_I, e_Q) bilden.

2. QAM - Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schaltungsmittel (KS) aus den Koeffizienten C_II, C_IQ, C_IQ, und C_QQ, welche folgende Abhängigkeit von einer geschätzten Differenzphase φ̂_Δ zwischen Sender- und Empfängerträgerfrequenz, einer geschätzten Empfängerträgerphase φ̂_E, einem geschätzten Empfängerquadraturfehler ψ̂_E und dem geschätzten Senderquadraturfehler ψ̂_S aufweisen:

aus den empfangenen Inphase- und Quadratursignalkomponenten Z_Ist,I und Z_Ist,Q und aus den Entscheiderfehlern e_I und e_Q im Inphase- und Quadraturzweig mit Multiplizierern, Addierern und Sign- Funktionsoperatoren folgenden Korrekturwert

_E für den Empfängerquadraturfehler bilden:

3. QAM - Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schaltungsmittel (KS) aus den Koeffizienten C_II, C_IQ, C_IQ, und C_QQ, welche folgende Abhängigkeit von einer geschätzten Differenzphase φ̂_Δ zwischen Sender- und Empfängerträgerfrequenz, einer geschätzten Empfängerträgerphase φ̂_E, einem geschätzten Empfängerquadraturfehler ψ̂_E und dem geschätzten Senderquadraturfehler ψ̂_S aufweisen:









aus den empfangenen Inphase- und Quadratursignalkomponenten Z_Ist,I und Z_Ist,Q und aus den Entscheiderfehlern e_I und e_Q im Inphase- und Quadraturzweig mit Multiplizierern, Addierern und Sign- Funktionsoperatoren folgenden Korrekturwert

_E für den Empfängerquadraturfehler bilden:

Zeichnung